JP6051927B2 - 電源装置および無線センサネットワーク装置 - Google Patents

Description

この発明は、蓄電装置として電気二重層キャパシタを備える電源装置および無線センサネットワーク装置に関する。

従来より、太陽電池等の発電装置と、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置とを備える電源装置が知られている。このような電源装置では、発電装置と蓄電装置とが接続されており、発電装置で発電された電気エネルギーが蓄電装置に蓄えられる。蓄電装置は、必要に応じて電気エネルギーを電源装置に接続されている負荷に供給する。この負荷は、例えば、センサや無線装置などである。このような電源装置の構成例が、特許文献１〜３に記載されている。

特許文献１（特に［0013］，［0019］及び図２，図７参照）には、以下の構成を有する電源装置が記載されている。特許文献１に記載の電源装置は、負荷と接続されている。特許文献１に記載の電源装置は、太陽電池と、電気二重層キャパシタと、逆流防止ダイオードと、電圧検知器と、実時間時計と、ロジック回路と、電源スイッチと、電圧制御器とを備えている。太陽電池は発電装置であり、電気二重層キャパシタは蓄電装置である。逆流防止ダイオードは、電気二重層キャパシタから太陽電池への電気エネルギーの逆流を防止する。電圧検知器は、電気二重層キャパシタの充電状態を電圧値で確認する。実時間時計は、間欠動作を時間で制御する。ロジック回路は、電圧検知器の出力と実時間時計の出力の論理和を取る。電源スイッチは、ロジック回路の出力で電源供給を制御する。電圧制御器は、負荷への電圧を制御する。

特許文献２（特に［0019］〜［0025］及び図１参照）には、以下の構成を有する電源装置が記載されている。特許文献２に記載の電源装置は、負荷に接続されている。特許文献２に記載の電源装置は、太陽電池と、逆流防止ダイオードと、電気二重層キャパシタと、バランサーと、センサと、スイッチと、逆流防止ダイオードと、電池と、ＤＣ−ＤＣコンバータとにより構成されている。太陽電池は発電装置であり、電気二重層キャパシタは蓄電装置である。逆流防止ダイオードは、電気二重層キャパシタから太陽電池への電気エネルギーの逆流を防止する。バランサーは、電気二重層キャパシタの容量が或るレベル以下に降下したときにのみ、スイッチを作動させる。センサは、バランサーに組み込まれている。スイッチは、電池と直列に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、負荷に与える電圧を一定に保持する。電池は、補助二次電池である。特許文献２に記載の電源装置では、電気二重層キャパシタの容量が或るレベルを降下すると、バランサーが作動し、通常状態で閉じているスイッチが開き、電池が負荷に電気エネルギーを供給する。

特許文献３（特に［0015］〜［0025］及び図１参照）には、以下の構成を有する電源装置が記載されている。特許文献３に記載の電源装置は、負荷に接続されている。特許文献３に記載の電源装置は、太陽電池と、逆流防止ダイオードと、電気二重層キャパシタと、負荷コントローラと、ＤＣ−ＤＣコンバータとにより構成されている。太陽電池は発電装置であり、電気二重層キャパシタは蓄電装置である。逆流防止ダイオードは、電気二重層キャパシタから太陽電池への電気エネルギーの逆流を防止する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、負荷に与える電圧を一定に保持する。負荷コントローラは、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力端子間に接続され、接続／遮断用のスイッチを有している。負荷コントローラは、電気二重層キャパシタから負荷に電気エネルギーを供給する際、電気二重層キャパシタから負荷への電気エネルギーの供給が必要な時のみＤＣ−ＤＣコンバータを作動させる。

特開２００７―１８１２７８号公報 特開平１０−２１０６８２号公報 特開２００１−２１８３８７号公報

特許文献１〜３に記載されている電源装置は、いずれも発電装置として太陽電池を備え、蓄電装置として電気二重層キャパシタを備える。図４は、電気二重層キャパシタの漏れ電流の時間変化を示すグラフである。図４に示すように、電気二重層キャパシタは、充電直後の漏れ電流が大きい。特許文献１に記載の電源装置では、電気二重層キャパシタの充電直後は、電気二重層キャパシタの漏れ電流が大きいため、太陽電池で発電された電気エネルギーの量では作動しないことがある。また、特許文献２に記載の電源装置及び特許文献３に記載の電源装置では、電気二重層キャパシタの充電開始直後は、電気二重層キャパシタの漏れ電流が大きく、電気二重層キャパシタの電圧が低下する。そのため、スイッチの作動が頻繁に起こり、動作が安定しないことがある。

また、特許文献１〜３に記載されている電源装置では、電気二重層キャパシタの充電開始から一定時間が経過すると漏れ電流は小さくなる。しかし、電気二重層キャパシタの電気エネルギーの負荷による消費量が多いときには、電気二重層キャパシタの電圧が低下するため、動作が不安定になる。

そこで、この発明は、電気二重層キャパシタの充電開始直後や電気二重層キャパシタの電圧が低下したときでも、問題なく動作する電源装置および無線センサネットワーク装置を提供することを目的とする。

この発明の電源装置は、発電部と、電気二重層キャパシタと、負荷接続部と、一次電池と、スイッチと、コントローラとを備えている。

電気二重層キャパシタは、発電部が発電した電力を蓄積する。負荷接続部は、電気二重層キャパシタに接続され、電力の供給を受ける負荷が接続される。一次電池は、負荷接続部に接続された負荷に電力を供給する。スイッチは、負荷接続部と一次電池を接続または離間する。コントローラは、電気二重層キャパシタの電圧を検出する機能、および装置本体の起動後の経過時間を計時する機能を有し、装置本体が起動してからの経過時間または電気二重層キャパシタの電圧に応じてスイッチを制御する。

電気二重層キャパシタは、充電開始直後は漏れ電流が大きく、電気二重層キャパシタの電圧が低下するため、負荷に安定して電力を供給できないことがある。この構成においては、装置本体が起動してからの経過時間または電気二重層キャパシタの電圧に応じて、一次電池から負荷に電力を供給する。これにより、電源装置では、電気二重層キャパシタが充電開始直後や電気二重層キャパシタの電圧が所望の値よりも低くなったときには、一次電池から電力を供給することで、電源装置の出力が不安定になることがなく、負荷に電力を安定供給できる。

上記発明において、コントローラは、装置本体が起動してから一定時間が経過するまで、スイッチを制御して負荷接続部と一次電池を接続し、一定時間が経過後にスイッチを制御して負荷接続部と一次電池を離間する。

電気二重層キャパシタは、充電開始直後は漏れ電流が大きくその電圧が低下するため、電源装置から負荷に供給する電力は不安定である。また、電気二重層キャパシタは、充電開始後の時間の経過とともに漏れ電流が減少し、一定時間が経過すると漏れ電流がほぼ一定値になり、負荷に供給する電力は安定する。この構成では、電源装置において電気二重層キャパシタの充電開始からの経過時間に応じて電気二重層キャパシタまたは一次電池から負荷に電力を供給する。これにより、負荷に対して電力を常に安定供給できる。また、一次電池だけから電力を常に供給すると、一次電池が短時間で消耗するが、電気二重層キャパシタの漏れ電流に応じて一次電池を接離するので、一次電池の消耗を防止でき長時間使用できる。

上記発明において、コントローラは、一定時間が経過後に電気二重層キャパシタと一次電池の間を離間しているときに、電気二重層キャパシタの電圧が設定値未満であれば、スイッチにより電気二重層キャパシタに対して一次電池を接続し、電気二重層キャパシタの電圧が設定値以上であれば、スイッチにより電気二重層キャパシタに対して一次電池を分離する。

この構成においては、電気二重層キャパシタの漏れ電流がほぼ一定値になった後は、電気二重層キャパシタの電圧に応じて電気二重層キャパシタまたは一次電池から電力を供給する。これにより、負荷に対して電力を常に安定供給でき、また一次電池の消耗を防止でき長時間使用できる。

この発明の無線センサネットワーク装置は、上記構成の電源装置と、センサと、ＲＦ−ＩＣとを備えている。センサは、環境の変化を検出して検出結果をコントローラに出力する。ＲＦ−ＩＣは、負荷接続部に接続され、アンテナを介して情報を出力する。コントローラは、センサの検出結果をＲＦ−ＩＣに出力させる。

この構成においては、無線センサネットワーク装置の起動開始直後でも電源装置から安定して電力が供給されるので、センサの検出結果を安定して出力させることができる。

この発明によれば、電気二重層キャパシタの充電開始直後や電気二重層キャパシタの電圧が低下したときでも、問題なく負荷に電源供給することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。 図２は、本発明の実施形態に係る電源装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図３は、本発明の実施形態に係る無線センサネットワーク装置の構成を示す回路図である。 図４は、電気二重層キャパシタの漏れ電流の時間変化を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。図１に示すように、電源装置１は、太陽電池１１、抵抗１２、ダイオード１３、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）２１、一次電池３１、スイッチ３２、ダイオード３３、コントローラ（ＭＣＵ）４１、および負荷接続部５１を備える。負荷接続部５１には、負荷５２が接続されている。

太陽電池１１は、出力端子１１Ａと出力端子１１Ｂを備え、太陽光などの光の照射を受けて発電する。

抵抗１２は、一方の端子が太陽電池１１の出力端子１１Ａに接続され、太陽電池１１から出力される電流を制限する。

ダイオード１３は、アノードが抵抗１２の他方の端子に接続され、太陽電池１１に対して外部から電流が流入しないように電流の方向を制限する。

電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）２１は、ダイオード１３のカソードと太陽電池１１の端子１１Ｂに接続され、太陽電池１１が発電した電力（電気エネルギー）を蓄積する。そして、電気二重層キャパシタ２１は、負荷接続部５１に接続された負荷５２に電力を供給する。

一次電池３１は、電気二重層キャパシタ２１に対して並列接続されている。すなわち、一次電池３１は、プラス端子がスイッチ３２とダイオード３３を介して電気二重層キャパシタ２１の一方の端子に接続され、マイナス端子が電気二重層キャパシタ２１の他方の端子に接続されている。一次電池３１は、スイッチ３２がオンのときに、負荷接続部５１に接続された負荷５２に電力を供給する。

スイッチ３２は、一次電池３１のプラス端子と、ダイオード３３のアノードに接続され、電気二重層キャパシタ２１と一次電池３１の間を接続または離間する。

ダイオード３３は、カソードが電気二重層キャパシタ２１の一方の端子に接続され、アノードがスイッチ３２に接続され、一次電池３１に対して外部から電流が流入しないように電流の方向を制限する。

コントローラ（ＭＣＵ）４１は、電気二重層キャパシタ２１に対して並列接続され、電気二重層キャパシタ２１の電圧を検出する機能、および装置本体の起動後の経過時間を計時する機能を有する。コントローラ４１は、電源装置１本体を起動してからの経過時間、または電気二重層キャパシタの電圧に応じてスイッチ３２を制御する。

負荷接続部５１は、電気二重層キャパシタ２１に接続され、電源装置１から電力の供給を受ける負荷５２が接続される。負荷５２は、太陽電池１１、電気二重層キャパシタ２１、および一次電池３１から電力の供給を受ける。

次に、電源装置１の動作について説明する。図４に基づいて説明したように、電気二重層キャパシタは充電開始から一定時間が経過後までは漏れ電流が大きく、また、夜間など太陽電池１１の発電が停止して電気二重層キャパシタ２１を充電できず電圧が低下することがある。これらの場合、電源装置１から負荷５２に供給される電力が不安定となる。

そこで、本発明では、電源装置１本体が起動してからの経過時間または電気二重層キャパシタ２１の電圧に応じてスイッチ３２を制御し、電気二重層キャパシタ２１または一次電池３１から負荷５２に電力を供給する。これにより、電気二重層キャパシタ２１の充電時間や電圧にかかわらず、電源装置１の出力が安定し、負荷５２へ電力を安定供給できる。

以下、具体的に説明する。電源装置１本体が起動したときには、太陽電池１１は発電しているものとする。図２は、電源装置１の動作を説明するためのフローチャートである。

電源装置１は、不図示のタイマにより、設定時間に起動する。また、ユーザが不図示の操作部を操作することでも電源装置１を起動させることが可能である。電源装置１が起動すると、電気二重層キャパシタ２１は太陽電池１１により充電が開始される。

また、図２に示すように、コントローラ４１は、電源装置１本体が起動したときには（Ｓ１）、スイッチ３２をオンにする（Ｓ２）。このとき、一次電池３１と負荷接続部５１が接続され、負荷５２には、一次電池３１から電気エネルギー（電力）が供給される。これにより、電源装置１の出力が安定するので、負荷５２を安定して動作させることができる。

コントローラ４１は、前記のように計時機能を備えており、装置本体の起動から一定時間が経過するまでの時間の管理を行う。なお、一定時間は、電源装置１に使用する電気二重層キャパシタ２１の容量や特性に応じて設定する。例えば８時間から１２時間程度に設定する。

コントローラ４１は、起動から一定時間が経過した後に（Ｓ３）、スイッチ３２をオフにする（Ｓ４）。このとき、一次電池３１と負荷接続部５１が離間される。電源装置１の起動から一定時間が経過した後では、電気二重層キャパシタ２１の漏れ電流が小さく、電圧が設定値より高くなり、電気二重層キャパシタ２１から負荷５２に電気エネルギー（電力）が安定供給される。そのため、上記のように、一次電池３１と負荷接続部５１を離間しても、負荷接続部５１に接続されている負荷５２には電気二重層キャパシタ２１または太陽電池１１から電気エネルギー（電力）が安定供給される。これにより、電源装置１の出力を常に安定させることができる。

コントローラ４１は、引き続き電気二重層キャパシタ２１の電圧を監視する。コントローラ４１は、一定時間が経過した後であり一次電池３１が負荷接続部５１と接続されていない状態において、電気二重層キャパシタ２１に蓄えられている電力（電気エネルギー）が少なくなり、電気二重層キャパシタ２１の電圧Ｖｃが設定値Ｖｓ未満であれば（Ｓ５：Ｙ）、スイッチ３２をオンにして、一次電池３１と負荷接続部５１を接続する（Ｓ６）。このとき、負荷５２には、一次電池３１から電力が供給される。また、電気二重層キャパシタ２１の電圧Ｖｃが設定値Ｖｓ以上であれば、スイッチ３２をオフにして、一次電池３１と負荷接続部５１を離間する（Ｓ４）。このとき、負荷５２には、電気二重層キャパシタ２１または太陽電池１１から電力が供給される。

このように、電源装置１では、電気二重層キャパシタ２１の電圧Ｖｃに応じてスイッチ３２を制御するので、負荷接続部５１の出力を安定させることができる。

なお、起動から一定時間が経過した時点から電気二重層キャパシタ２１に蓄えられている電気エネルギーが少なくなり、電気二重層キャパシタ２１の電圧が所望の値より低くなる時点までの期間は、電気二重層キャパシタ２１の容量や負荷が消費する電気エネルギーの大きさにもよるが、例えば１日から１０日程度である。

また、設定値Ｖｓは、電気二重層キャパシタ２１の容量や特性に応じて設定する。

以上のように構成することで、電源装置１では、電気二重層キャパシタ２１が充電開始直後や電気二重層キャパシタ２１の電圧が所望の値（設定値）よりも低くなったときには、一次電池から電力を供給することで、電源装置１の出力が不安定になることがなく、負荷５２に電力を安定供給できる。

次に、電源装置１の応用例を説明する。図３は、本発明の実施形態に係る無線センサネットワーク装置の構成を示す回路図である。図３に示すように、上記構成の電源装置１において、負荷接続部５１に接続する負荷として、ＲＦ−ＩＣ５２１を接続し、コントローラ４１にセンサ５２３を接続することで、無線センサネットワーク装置２として使用できる。

センサ５２３は、自励式センサでなく他励式センサであることが好ましく、他励式であることにより、消費電力を小さくできる。センサ５２３は、環境の変化を検出して検出結果をコントローラに出力する。センサ５２３は、例えば、周囲の照度を検出して、コントローラ４１にその検出結果を出力する照度センサを用いることができる。

コントローラ４１は、センサ５２３が検出した結果をＲＦ−ＩＣ５２１に出力する。

ＲＦ−ＩＣ５２１は、アンテナ５２２を介して無線通信を行い、通信装置５へセンサ５２３の検出結果などの情報を送信する。

通信装置５は、アンテナ５６で受信したセンサ５２３の検出結果などの情報を不図示の表示部に表示させる。また、通信装置５は、センサ５２３の検出結果などの情報に基づいた処理を行う。

無線センサネットワーク装置２は、電源装置１を備えているので、電気二重層キャパシタ２１の充電開始からの経過時間や電圧にかかわらず、電源装置１の出力が安定している。そのため、無線センサネットワーク装置２は、安定して動作する。

１…電源装置
２…無線センサネットワーク装置
５…通信装置
１１…太陽電池（発電部）
１２…抵抗
１３、３３…ダイオード
２１…電気二重層キャパシタ
３１…一次電池
３２…スイッチ
４１…コントローラ
５１…負荷接続部
５２…負荷
５２１…ＲＦ−ＩＣ
５２２、５６…アンテナ
５２３…センサ

Claims (3)

1. 発電部と、
   前記発電部が発電した電力を蓄積する電気二重層キャパシタと、
   前記電気二重層キャパシタに接続され、電力の供給を受ける負荷が接続される負荷接続部と、
   前記負荷接続部に接続された負荷に電力を供給する一次電池と、
   前記負荷接続部と前記一次電池を接続または離間するスイッチと、
   前記電気二重層キャパシタの電圧を検出する機能、および装置本体の起動後の経過時間を計時する機能を有し、前記装置本体が起動してからの経過時間または前記電気二重層キャパシタの電圧のいずれかが所定の条件を満たした場合に前記スイッチを制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記装置本体が起動してから一定時間が経過するまで、前記スイッチを制御して前記負荷接続部と前記一次電池を接続し、一定時間が経過後に前記スイッチを制御して前記負荷接続部と前記一次電池を離間する、電源装置。
2. 前記コントローラは、前記一定時間が経過後に前記負荷接続部と前記一次電池を離間しているときに、
   前記電気二重層キャパシタの電圧が設定値未満であれば、前記スイッチにより前記負荷接続部と前記一次電池を接続し、
   前記電気二重層キャパシタの電圧が設定値以上であれば、前記スイッチにより前記負荷接続部と前記一次電池を離間する、請求項１に記載の電源装置。
3. 請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の電源装置と、
   環境の変化を検出して検出結果を前記コントローラに出力するセンサと、
   前記負荷接続部に接続され、アンテナを介して情報を他の通信装置に出力するＲＦ−ＩＣとを備え、
   前記コントローラは、前記センサの検出結果を前記ＲＦ−ＩＣに出力させる、無線センサネットワーク装置。